EP3453453A1 - Substrat - Google Patents

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EP3453453A1
EP3453453A1 EP18194046.1A EP18194046A EP3453453A1 EP 3453453 A1 EP3453453 A1 EP 3453453A1 EP 18194046 A EP18194046 A EP 18194046A EP 3453453 A1 EP3453453 A1 EP 3453453A1
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coated
coating medium
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Stéphane MASSON
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Umicore AG and Co KG
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • One way of coating the substrates is to contact them with the openings of one side with the coating medium submitted and to suck the liquid coating medium through the channels of the substrate by applying a negative pressure on the opposite side of the substrate. If only one coating of the channels is to be carried out on part of their length, it is disadvantageous that different channels are coated to a different length due to the inevitably resulting flow profile.
  • the coating medium If the coating medium is pressed into the channels by pressure against the force of gravity, it must be checked (usually with a sensor) when the liquid exits at the top when the channels are completely coated. When coated over a portion of the length of the channels, the height of the liquid column of the coating medium inside the channels is determined by sensors.
  • this method does not work if the substrate is made of conductive or semiconducting materials such as metals or silicon carbide.
  • a further disadvantage is that the coating media mostly contain ceramic particles which have an abrasive effect and cause high wear in pumps for transporting the coating medium (for example piston pumps).
  • the object of the present invention was to provide an arrangement for coating substrates which does not have the above disadvantages of the prior art.
  • This object is achieved by an arrangement for coating substrates with liquid coating media (113, 213), which has a with a liquid (103, 203) filled cylinder (102, 202) with a piston (101, 201), wherein with A cylinder (102, 202) filled with liquid communicates with a container (112, 212) in the interior of which a displacement body (111, 211) is arranged so that the displacement body (111, 211) moves when the piston (101, 201) moves.
  • the container (112, 212) communicates with the coating device (122, 222) for the substrate (121, 221), the displacement body (111, 211) acting on the liquid coating medium (113, 213), so that a proportional change of the level of the liquid coating medium (113, 213) in the coating device (122, 222) is effected.
  • the piston (101, 201) is advantageously moved by an electric actuator (100, 200).
  • an electric actuator 100, 200
  • a provided with a gear electric motor can be used, which moves a provided with a rack piston.
  • the substrate (121, 221) is generally a hollow substrate made of metals or ceramics and having at least one inner channel (110, 210, 310), usually a plurality of inner channels.
  • the substrates are generally cylindrical support bodies, each having a cylinder axis, two end faces, a lateral surface and an axial length L and are traversed from the first end face to the second end face of a plurality of channels.
  • Such support bodies are often referred to as honeycomb body.
  • the substrates may be flow through honeycomb bodies which may have a high cell density (number of internal channels per cross-sectional area) of about 10 cm -2 to 250 cm -2 , but wall flow filters may also be used.
  • the substrate may, for example, be made of cordierite, mullite, aluminum titanate, silicon carbide or metals such as steel or stainless steel.
  • the substrate is advantageously a monolithic, cylindrically shaped catalyst support body and is traversed by a plurality of flow channels for the exhaust gases of internal combustion engines, which are parallel to the cylinder axis.
  • Such monolithic catalyst supports are used on a large scale for the production of automotive exhaust catalysts.
  • the cross-sectional shape of the catalyst support body depends on the installation requirements on the motor vehicle. Catalyst bodies with a round cross section, elliptical or triangular cross section are widespread.
  • the flow channels usually have a square cross section and are arranged in a narrow grid over the entire cross section of the catalyst body.
  • the channel relationship or cell density of the flow channels usually varies between 10 and 250 cm -2 .
  • catalyst support body with cell densities of about 62 cm -2 used.
  • the substrate is advantageously arranged liquid-tight on the coating device, which can be effected by at least one seal.
  • the gasket may be hollow and filled with gas or liquid when placed on or inserted into the coating apparatus and sealed. The tightness of the connection can be controlled by a pressure or flow sensor.
  • the displacement body (111, 211) is a hollow body which expands and contracts by corresponding pressure action and can be made of any elastic material such as rubber, plastic or metal, the material with respect to the liquid (103, 203) and the liquid Medium (113, 213) must be inert.
  • the liquid does not have to meet any special requirements but should not be corrosive or abrasive and should not change its properties under the conditions of use. Suitable examples are hydraulic oil or water.
  • the liquid coating medium (113, 213) is, for example, a suspension or dispersion for the coating of exhaust gas filters for motor vehicles, which contains catalytically active components or their precursors and inorganic oxides such as aluminum oxide, titanium dioxide, zirconium oxide or combinations thereof, where the oxides may be doped with, for example, silicon or lanthanum.
  • oxides of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, nickel or rare earth metals such as lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethioum, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium Ytterbium or their combinations are used.
  • noble metals such as platinum, palladium, gold, rhodium, iridium, osmium, ruthenium and combinations thereof can be used as catalytically active components.
  • metals may also be present as alloys with one another or with other metals or as oxides.
  • the metals can also be present as precursors, such as nitrates, sulfites or organyls of said noble metals and mixtures thereof, in particular palladium nitrate, palladium sulfide, platinum nitrate, platinum sulfite or Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 can be used.
  • precursors such as nitrates, sulfites or organyls of said noble metals and mixtures thereof, in particular palladium nitrate, palladium sulfide, platinum nitrate, platinum sulfite or Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 can be used.
  • the liquid coating medium may also contain both of these components.
  • the liquid coating medium often has a solids content between 35 and 52% and viscosities between 15 and 300 cps.
  • the geometry of the displacement body (111, 211) may be adapted to the inner shape of the container (112, 212), but this is not absolutely necessary.
  • a bellows with a square or circular base surface can be used in a container with a corresponding inner shape and thus act on the liquid coating medium (113, 213), as it were, as a hydraulically expandable stamp.
  • the displacement body (111, 211) may also be formed as a spherical rubber bubble, which acts on the liquid coating medium (113, 213) without special adaptation to the internal geometry of the container.
  • the displacer (111, 211) can substantially completely fill the container, but this may not necessarily be the case as long as the displacer (111, 211) is sufficiently large around the coater (122, 222) and volume of the substrate to be coated (121, 221) to fill with liquid coating medium.
  • the container (112, 212) must be sealed or sealed from the environment except for the openings with which it communicates with the cylinder (102, 202) and the coating device (122, 222).
  • the container (112, 212) advantageously has feeds for liquid coating medium (113) or liquid (203) and can advantageously be opened or dismantled for maintenance and cleaning purposes.
  • the cylinder (102, 202) communicate with the container (112, 212) in different ways.
  • the liquid inside the displacer (111) and the liquid coating medium (113) may be outside the displacer (111) in the container (112) so that the closed outsides of the displacer (111) act on the liquid coating medium (113) ,
  • a pressure is generated in the container, through which the liquid medium (113) is conveyed through an opening from the container via a line (114) into the coating device (122).
  • the coating device (122, 222) is equipped with sensors (123, 223) which react to the level of the liquid coating medium (113, 213).
  • Suitable sensors may be a refractive index sensor which responds to the change in refractive index as the liquid level rises, a conductivity sensor or simply a photocell.
  • a control unit which controls the movement of the piston (101, 201) and processes the signal transmitted by the sensors (123, 223) to control the movement of the piston, so that a reproducible level (130, 230) of the liquid coating medium (113, 213) in the coating device (122, 222) can be ensured regardless of the amount of the liquid coating medium (113, 213). If several substrates (121, 221) are coated one behind the other, the amount of the liquid coating medium (113, 213) in the arrangement decreases successively with each coating operation, so that the liquid level in the coating device (122, 222) decreases with the same process parameters.
  • the sensors (123, 223) Through the use of the sensors (123, 223), this effect can be compensated and a consistent level of fluid can be ensured even when refilling liquid coating medium.
  • a suitable control unit (125, 225) which processes the signal from the sensors and controls the piston (101, 201) or the preferably electric actuator (100, 200) used to actuate the piston, the fixed fill level (130, 230) can be determined. of the liquid coating medium (113, 213) in the coating device (122, 222) are automatically adjusted.
  • the arrangement according to the invention may further comprise a sensor for monitoring the position of the displacement body.
  • a sensor for monitoring the position of the displacement body For example, a photocell (124, 224), an ultrasonic sensor, or a mechanical sensor (e.g., toggle switch) may be used to monitor the extent of the displacer. If the displacement body has a leakage, this can be determined by this, since the displacement body in this case no longer completely returns to its initial position or fully expands. Such a sensor will then indicate such an event.
  • the arrangement according to the invention may further comprise a sensor for monitoring the liquid level (123, 232) of the liquid coating medium within the substrate (121, 221). In this way, the supply of liquid coating medium into the substrate can be stopped when the substrate has been coated to the desired substrate length.
  • a sensor is not always necessary, since it is an advantage of the arrangement according to the invention that this monitoring need not be performed if the internal volume of the substrate is known. However, it may be advantageous if such a sensor for calibrating the arrangement is present.
  • the invention also relates to a coated substrate for the production of exhaust gas filters or emission control catalysts, in particular for motor vehicles, in which the channels are internally provided with a catalytically active coating, the coated length of the channels is smaller than the axial length L and at least 95% of Channels of a substrate, the coated length of the channels not more than 5 mm, preferably 3 mm, from each other.
  • Exhaust gas filters according to the invention can be made both from fürflußwabenMechn, which cause only a chemical, but no mechanical cleaning of the exhaust gases (such as separation of soot), but also, for example, Wandflußfiltern, the exhaust gases are passed through the porous walls of the flow channels, whereby not only the chemical but also a mechanical cleaning of the exhaust gases takes place.
  • the channels of the substrates are not coated on the entire axial length L, but as described above only on a part of their length. In this case, it is advantageous if the length on which the channels are coated on the inside is essentially the same for all channels as far as possible. After internally coating the channels of the substrates with the arrangement according to the invention, these substrates are then dried and subjected to at least one heat treatment.
  • the finished, suitable for the production of exhaust gas filters for motor vehicles substrates have a particularly uniform coating which is characterized in that the coated lengths of the different channels by no more than 5 mm, in particular 3 mm from each other, what for at least 95% of all channels Substrates applies, advantageously at least 99% of all channels of a substrate, especially at 100% of all channels. Defects can cause the flow and pressure conditions of individual channels of a substrate to deviate greatly from the other channels, which results in the liquid coating medium penetrating considerably more heavily or more easily and under the coating conditions either at a lower or greater length of the individual Channels is coated. In these cases, the desired uniform coating length can only be achieved for a part of the channels, but generally for more than 95% of all channels.
  • the invention also relates to a method for coating substrates, which is carried out with the arrangement.
  • the removal of the coating medium from the channels of the substrate is effected by applying a pressure gradient whereby excess coating suspension is removed after interrupting the supply of coating medium to the substrate.
  • the removal can be effected by retracting the plunger (101, 201), thereby lowering the level of the coating medium in the coating apparatus (122, 222) and the substrate (121, 221), thereby producing the pressure differential and the Excess coating medium is removed from the channels of the substrate.
  • the removal of the coating medium can also be effected according to the known methods of the prior art, which is described below.
  • this can be applied to the lower end faces a negative pressure, for example, by opening a valve to an evacuated vacuum vessel.
  • air or another, the coated substrate and the upper end faces of the substrate Coating suspension to inert gas such as nitrogen are fed to the upper end surfaces without pressure.
  • inert gas such as nitrogen
  • an overpressure can also be applied ("blowing out” of the substrates).
  • air or another, the coated substrates and the coating suspension to inert gas such as nitrogen of the upper or lower end surface is supplied under pressure.
  • a negative pressure vacuum
  • gas or liquid pressure should not be applied from the opposite sides to ensure a flow rate of the gas sufficient to remove excess coating suspension from the channels of the substrates. Similar to the above briefly outlined method according to US-B-7094728 can also be supplied in this case, the pressure alternately from the upper and lower faces.
  • the substrates are optionally dried and subjected to a heat treatment (calcined).
  • the substrates Before the heat treatment, the substrates can be dried. This measure is optional because the substrate is dried anyway in the following heat treatment.
  • the channels of the substrate after removal from the coating device for example, from below against gravity with preheated air at temperatures between 20 and 150 ° C and speeds of more than 4, preferably 7 - 10 m / s, for the duration of 5 bis 20 s is flowed through.
  • predrying before the heat treatment it is possible to avoid a run-in of the flow channels or a narrowing of the channels at the lower end of the substrates, which is frequently observed at very high loads.
  • This additional measure makes it possible to load the substrate with a higher coating amount than usual, without the flow channels closing or narrowing during the drying and calcination process.
  • the concentration of the coating dispersion on the substrate can thus be increased by this measure.
  • the heat treatment is generally carried out at temperatures of about 150 ° C to about 800 ° C, especially at about 200 ° C to 700 ° C, preferably at about 250 ° C to about 600 ° C.
  • the time of the heat treatment is about 1 to 5, preferably 2 to 3 hours and a heating rate of about 10 ° C / min to about 50 ° C / min, in particular about 20 ° C / min to about 40 ° C / min, advantageous about 35 ° C / min. to about 45 ° C / min, with heating rates based on the temperature of the furnace.
  • the heating rates can be effected by batchwise heat treatment by a corresponding, controlled heating of the furnace or in a continuous process by controlling the feed rate of the substrates through a tunnel oven, which is operated with a predetermined temperature profile.
  • the substrate is moistened prior to placement on the coating apparatus.
  • the substrates in the dry state have a significant absorbency for liquids.
  • This may also be a preimpregnation with acids, bases or salt solutions.
  • the pre-impregnation facilitates the formation of the coating on the channel walls by the sol-gel method.
  • the contact of the coating dispersion with the pre-impregnated channel walls shifts the pH of the dispersion. As a result, the dispersion is converted into a gel.
  • the displacement body acts on the coating medium in such a way that displaces a volume of the coating medium proportional to the movement of the displacement body and a corresponding increase in the level of the coating medium in the coating device is effected until a first level of the coating medium in the This first filling level is determined so that the same level of liquid is always present in the coating device before the beginning of each coating process of a substrate, so that a reproducible coated length of the channels can be achieved even with a decreasing amount of liquid coating medium.
  • the reaching of the first level can be detected by a signal triggered by the sensors (123, 223).
  • the volume of coating medium required for coating the substrate ie the one for coating the insides of the channels of the substrate to the desired coated length of the channels
  • the displacement body acts on the coating medium in such a way that displaces a volume of the coating medium proportional to the movement of the displacement body and causes a corresponding increase in the level of the coating medium in the coating device, ie the penetration of the coating medium into the channels of the substrate to the desired filling level or coated Length of the channels proportional to the displaced volume until a second level of the coating medium is reached in the coating apparatus. Reaching the second level can be detected by a sensor.
  • the second filling level of the coating medium lies either inside the substrate (121, 221) or at least at the same level, but preferably above the upper end face of the substrate ( 121, 221). If the second level is inside the substrate, then a coated length of the substrate is achieved, which is smaller than its axial length L. If the second level of the coating medium lies on the same plane, but preferably above the upper end face of the substrate (121, 221), the inside of the channels of the substrate is coated over the entire axial length L.
  • control of the second fill level by a sensor is carried out only for calibration, that is to say the setting of the parameters for controlling the arrangement.
  • the resulting substrates are then optionally dried and subjected to a heat treatment as described above.
  • the present invention thus allows reproducible coated lengths of the channels of the substrates with little deviation of the coated lengths within the substrates and provides an arrangement for coating ready, which shows a low wear even with highly abrasive coating media.
  • the finished, suitable for the production of exhaust gas filters for motor vehicles substrates have a particularly uniform coating which is characterized in that the coated lengths of the different channels between the channels by not more than 5 mm, in particular 3 mm apart, which is true for at least 95% of all channels of a substrate, advantageously at least 99% of all channels of a substrate, especially at 100% of all channels. Defects can cause the flow and pressure conditions of individual channels of a substrate to deviate greatly from the other channels, which results in the liquid coating medium penetrating considerably more heavily or more easily and under the coating conditions either at a lower or greater length of the individual Channels is coated.
  • the desired uniform coating length can only be achieved for a part of the channels, but generally for more than 95% of all channels.
  • the coated length of the channels here is smaller than the axial length L.
  • the uniform coating length has the advantage that in this way two coatings can be introduced from the opposite end faces of the respective substrate. If these coatings are different and have to be separated from one another (for example because the coating components react with one another in an undesired manner or impair one another in their effect), then a gap must be maintained and reliably ensured between the two coatings. It is advantageous if the coating length can be adjusted as accurately and reliably as possible, so that only a small length of the substrate for the distance between the coatings must be used, which remains uncoated and thus functionless. This can cause an improved exhaust gas purification or the loading of the substrate can be reduced with coating.
  • a coated substrate for the production of exhaust gas filters for motor vehicles can be obtained particularly advantageously in which the channels are internally provided with at least a first catalytically active coating and a second catalytically active coating, which with the first catalytically active coating and the second catalytically active coating coated lengths of the channels is in each case smaller than the axial length L of the substrate and at least 95% of the channels of a substrate not coated with the first catalytically active coating and the second catalytically active coating lengths of the channels not more than 5 mm, preferably 3 mm, deviate from each other, and wherein the distance between the two coatings is at least 95% of the channels of a substrate at most 5 mm, preferably at most 3 mm, in particular at most 1 mm.
  • FIGS. 3A and 3B such a coated substrate (300) is shown.
  • the substrate has two end faces (301), a lateral surface (302) and a length (L) and is traversed by a plurality of channels (310) between the end faces.
  • the channels are provided on a first partial length (303) with a first coating (330) and on a further partial length (305) with a second coating (340), in Fig. 3A shown with thickened lines forming two zones, each provided with a first and a second coating.
  • the distance (304) between the two zones (303, 305) is preferably minimized, for which a uniform coating length in both zones (303, 305) is required in order to avoid overlapping.
  • This coating-free distance (304) is a maximum of 5 mm, advantageously not more than 3 mm, in particular not more than 1 mm.
  • a substrate (300) is shown with circular end faces.
  • the end faces can also have rectangular, square, oval, triangular, hexagonal, or other polygonal shapes, which causes a corresponding different spatial shape of the substrate, such as prismatic or cuboidal.
  • the partial lengths provided with the first (330) and second (340) coatings may be the same or different.
  • first and the second coating are advantageously different.
  • at least one of the coatings is an oxidation catalyst or an SCR catalyst.
  • the first coating (330) is an SCR catalyst and the second coating (340) is an oxidation catalyst.
  • the oxidation catalyst advantageously contains a noble metal of group VIII of the Periodic Table of the Elements such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, gold, iridium or mixtures thereof, advantageously on a porous solid support, usually a porous inorganic oxide such as aluminum oxide or silicon dioxide. Platinum is particularly advantageous on a porous alumina as a carrier.
  • This coating on the coated substrate generally has an amount of from 0.1 to 10 g / ft 3 of platinum.
  • the SCR catalyst contains an oxide selected from the group consisting of titanium dioxide, vanadium pentoxide, tungsten trioxide, cerium oxide, zirconium oxide or mixtures thereof.
  • the SCR catalyst contains titanium dioxide as a matrix, up to 10% by weight of vanadium pentoxide and up to 20% by weight of tungsten trioxide.
  • the first coating comprises an SCR catalyst containing vanadium pentoxide and alumina and the second coating contains an oxidation catalyst containing platinum, gold, palladium and alumina.
  • the second coating in this case preferably has an amount of 0.1 to 10 g / ft 3 of platinum, gold or combinations thereof
  • the first coating contains an SCR catalyst comprising titanium dioxide, vanadium pentoxide and tungsten trioxide and the second coating contains an oxidation catalyst, containing platinum and alumina.
  • the second coating in this case preferably has an amount of 0.1 to 10 g / ft 3 of platinum.
  • the first coating contains an SCR catalyst comprising a composition of a zeolite, in particular a zeolite exchanged with iron or copper
  • the second coating contains an oxidation catalyst containing platinum and alumina.
  • the second coating in this case preferably has an amount of 0.1 to 10 g / ft 3 of platinum.
  • the first coating comprises an SCR catalyst containing an iron-exchanged beta zeolite having an ammonia storage capacity of at least 20 milliliters of ammonia per gram of catalyst material and the second coating containing an oxidation catalyst containing platinum and alumina.
  • the second coating in this case preferably has an amount of 0.1 to 10 g / ft 3 of platinum.
  • the first coating contains an SCR catalyst comprising a composition of a zeolite, in particular a zeolite exchanged with iron or copper
  • the second coating contains an oxidation catalyst which contains palladium and / or rhodium and also aluminum oxide.
  • the second coating in this case preferably has an amount of 0.1 to 10 g / ft 3 of palladium, rhodium or combinations thereof.
  • the coated substrates suitable for the manufacture of automobile exhaust gas filters have porosities of more than 40%, generally from 40% to 75%, in particular from 45% to 60%.
  • the mean pore sizes are at least 7 .mu.m, for example at 7 .mu.m to 34 .mu.m, preferably at more than 10 .mu.m, in particular at 10 .mu.m to 20 .mu.m or at 11 .mu.m to 19 .mu.m. Particularly advantageous are finished, for the production of exhaust gas filters for motor vehicles suitable substrates show average pore sizes of 11 to 33 microns and porosities of 40% to 60%.
  • the cell densities of the substrates amount usually up to 700 or more per inch 2 (square inch), with significantly lower cell densities are used, such as about 7 to 600, in particular 100 to 400 cells per inch 2 (400 cells per inch 2 correspond to about 62 cells per cm 2 ), wherein the shapes of the cells may be rectangular, square, circular, oval, triangular, hexagonal, or other polygonal shapes.
  • the cell density is a measure of the number of channels per unit area of the plan view, which pull through the substrates parallel to the longitudinal axis.
  • the wall thicknesses are from 0.002 to 0.1 inches (about 0.005 cm to about 0.25 cm), preferably 0.002 to 0.015 inches (about 0.005 cm to 0.038 inches) cm).
  • Advantageous substrates are at a wall thickness of about 0.01 inch to 0.02 inch (about 0.0254 cm to 0.058 cm), preferably having a porosity of 40% to 60% and an average pore size of 10 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • FIG. 1 shows an arrangement of the invention for coating ducts (110) in a substrate (121), which has a piston (101) actuated by an actuator (100) in a cylinder (102) filled with liquid (103) and by a connection (104) of cylinder (102) to said displacer (111) allowing actuation of said displacer (111) in said container (112) filled with liquid coating medium (113) and two conduit sections (114, 116) with a multi-way valve (115) connected between container (112) and the coating device (122), wherein the coating device (122) is provided with the substrate (121) and with sensors (123) for determining the first filling level (130). With further sensors (124), the displacement volume of coating medium (113) or the state of the displacement body (111) in the container (112) is controlled.
  • the values determined by the sensors (123, 124) are transmitted to a control unit (125), which in turn controls the actuator (100) and thus the piston (101).
  • the multi-way valve (115) switches on the one hand in the filling flow direction (117) the filling of the coating device (122) to the first level (130) with coating medium (113) and on the other hand, after reaching the second level (132) in the substrate (121), in the return direction (118), the connection to the drain pump (119) and the connecting line (120) to a reservoir for excess coating medium (113) and to its availability for further use.
  • All necessary control commands for this purpose are preferably also issued by the central control unit (125).
  • FIG. 2 shows an arrangement of the invention for coating channels (210) in a substrate (221), which has a, by an actuator (200) actuated piston (201) in a cylinder (202) which is filled with liquid (203) , and communicates through a connection (204) of cylinder (202) to the container (212) in which the displacer (211) containing liquid coating medium (213) is located and having two conduit sections (214,216) interposed therebetween Multi-way valve (215) with the coating device (222) is connected, which is provided with a substrate (221) and sensors (223) for determining the first level (230) of the coating medium (213).
  • the displacement volume of the coating medium or the state of the displacement body (211) in the container (212) is controlled.
  • the values determined by the sensors (223, 224) are transmitted to a control unit (225), which in turn controls the actuator (200) and thus the piston (201).
  • the multiway valve (215) switches on the one hand in the filling flow direction (217) the filling of the coating device (222) to the first level (230) with coating medium (213) and on the other hand, after reaching the second level (232) in the substrate (221), in the return flow direction (218), the connection to the drain pump (219) and the connecting line (220) to a reservoir for excess coating medium (213) and to its availability for further use. All necessary control commands for this purpose are preferably also issued by the central control unit (225).
  • FIGS. 3A and 3B show in perspective a substrate (300), which has in its middle part a cut-open in three planes to convey the insight into the coating structure according to the invention.
  • the substrate (300) coated in two partial length zones (303, 305) has two end faces (301), a lateral surface (302) and a length (L) and is surrounded by a plurality of channels (310) between the two end faces (301 ).
  • a first coating (330) is applied in the channels (310), while a further part length zone (305) is provided with a second coating (340).
  • a coating-free zone (304), in particular this Fig. 3B enlarged shows.
  • the coated length is determined after coating by means of X-ray, and the coated lengths of the channels are determined by digital image evaluation and the difference between the respective maximum and minimum lengths is formed. The difference is always smaller than 3.0 mm. 200 coated supporting bodies are examined.
  • the coating device according to FIG. 2 will continue to operate. To perform 325,000 coating operations, no interruption to maintenance or repair is required.
  • Example 2 The procedure was as in Example 1, but an arrangement was after FIG. 1 used. The differences of the maximum and minimum lengths were always less than 2 mm. 170 coated supporting bodies are examined. To perform 225,000 coating operations, no interruption to maintenance or repair is required.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Beschichtungsvorrichtung, das hiermit durchführbare Verfahren sowie damit erhältliche Produkte und deren Verwendung.

Description

  • Bei der Beschichtung von keramischen oder metallischen Wabenkörpern / Filtern, im folgenden Substrat genannt, mit flüssigen Beschichtungsmedien treten verschiedene Probleme auf.
  • Eine Möglichkeit der Beschichtung der Substrate ist, diesen mit den Öffnungen einer Seite mit dem vorgelegten Beschichtungsmedium zu kontaktieren und durch Anlegen eines Unterdrucks an der gegenüberliegenden Seite des Substrats das flüssige Beschichtungsmedium durch die Kanäle des Substrats hindurchzusaugen. Wenn nur eine Beschichtung der Kanäle auf einem Teil Ihrer Länge durchgeführt werden soll ist nachteilig, dass durch das zwangsläufig entstehende Strömungsprofil unterschiedliche Kanäle bis zu einer unterschiedlichen Länge beschichtet werden.
  • Wird das Beschichtungsmedium durch Druck gegen die Schwerkraft in die Kanäle gepresst, so muss hierbei (meist mit einem Sensor) überprüft werden, wann die Flüssigkeit bei einer vollständigen Beschichtung der Kanäle an der Oberseite austritt. Bei einer Beschichtung auf einem Teil der Länge der Kanäle wird die Höhe der Flüssigkeitssäule des Beschichtungsmediums im Inneren der Kanäle durch Sensoren bestimmt. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nicht, wenn das Substrat aus leitenden oder halbleitenden Materialien, wie Metallen oder Siliziumkarbid, besteht.
  • Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die Beschichtungsmedien meist keramische Partikel enthalten, welche abrasiv wirken und bei Pumpen zum Transport des Beschichtungsmediums (z.B. Kolbenpumpen) einen hohen Verschleiß bewirken.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine Anordnung zur Beschichtung von Substraten bereit zu stellen, welche die obigen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Beschichtung von Substraten mit flüssigen Beschichtungsmedien (113, 213), welche einen mit einer Flüssigkeit (103, 203) gefüllten Zylinder (102, 202) mit einem Kolben (101, 201) aufweist, wobei der mit einer Flüssigkeit gefüllte Zylinder (102, 202) mit einem Behälter (112, 212) kommuniziert, in dessen Inneren ein Verdrängungskörper (111, 211) so angeordnet ist, dass der Verdrängungskörper (111, 211) bei Bewegung des Kolbens (101, 201) durch die Flüssigkeit (103, 203) proportional bewegt wird, und der Behälter (112, 212) mit der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) für das Substrat (121, 221) kommuniziert, wobei der Verdrängungskörper (111, 211) auf das flüssige Beschichtungsmedium (113, 213) einwirkt, so dass eine proportionale Veränderung des Füllstandes des flüssigen Beschichtungsmediums (113, 213) in der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) bewirkt wird.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
    1. 1. Anordnung zur Beschichtung von Substraten zur Herstellung von Abgasreinigungskatalysatoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche zylindrische Tragkörper sind und je zwei Stirnflächen (301), eine Mantelfläche (302) und eine axiale Länge L aufweisen und von der ersten Stirnfläche zur zweiten Stirnfläche von einer Vielzahl von Kanälen (310) durchzogen sind, mit flüssigen Beschichtungsmedien, welche einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Zylinder mit einem Kolben aufweist, wobei der mit einer Flüssigkeit gefüllte Zylinder mit einem Behälter kommuniziert, in dessen Inneren ein Verdrängungskörper so angeordnet ist, dass der Verdrängungskörper bei Bewegung des Kolbens durch die Flüssigkeit proportional bewegt wird, und der Behälter mit der Beschichtungsvorrichtung für das Substrat kommuniziert, wobei der Verdrängungskörper auf das flüssige Beschichtungsmedium einwirkt, so dass eine proportionale Veränderung des Füllstandes des flüssigen Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bewirkt wird.
    2. 2. Anordnung nach Punkt 1, wobei der Kolben durch einen elektrischen Aktuator bewegt wird.
    3. 3. Anordnung nach Punkt 1 oder 2, wobei sich die Flüssigkeit im Inneren des Verdrängungskörpers und das flüssige Beschichtungsmedium außerhalb befindet und die geschlossenen Außenseiten des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium einwirken.
    4. 4. Anordnung nach Punkt 1 oder 2, wobei sich die Flüssigkeit außerhalb des Verdrängungskörpers und das flüssige Beschichtungsmedium innerhalb befindet und die geschlossenen Innenseiten des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium einwirken.
    5. 5. Anordnung nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 3, wobei die Beschichtungsvorrichtung mit Sensoren ausgestattet ist, welche auf den Füllstand des flüssigen Beschichtungsmediums reagieren und mit einer Steuereinheit verbunden sind, welche die Bewegung des Kolbens kontrolliert und das von den Sensoren übermittelte Signal zur Kontrolle der Bewegung des Kolbens verarbeitet, so dass ein reproduzierbarer Füllstand in der Beschichtungsvorrichtung unabhängig von der vorhandenen Menge des flüssigen Mediums sicher gestellt wird.
    6. 6. Anordnung nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 5, welche einen Sensor zur Überwachung der Position des Verdrängungskörpers aufweist.
    7. 7. Anordnung nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 6, welche einen Sensor zur Überwachung des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Beschichtungsmediums innerhalb des Substrates aufweist.
    8. 8. Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit den Schritten
      • Bereitstellen des Substrates;
      • Bereitstellen einer Anordnung nach einem der Punkte 1 bis 7;
      • Anordnen des Substrates auf der Beschichtungsvorrichtung;
      • Auslösen der Bewegung des Kolbens, so dass die vom Kolben verdrängte Flüssigkeit den Verdrängungskörper proportional zur Menge des verdrängten Flüssigkeitsvolumens bewegt wird;
      • Einwirken des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium, wobei ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bewirkt wird;
      • Eindringen des Beschichtungsmediums in die Kanäle des Substrates bis zur gewünschten Füllhöhe bzw. beschichteten Länge der Kanäle proportional zum verdrängten Volumen des Beschichtungsmediums;
      • Entfernen des Beschichtungsmediums aus den Kanälen des Substrates, wobei sich die Beschichtung in den Kanälen ausbildet.
    9. 9. Verfahren zur Beschichtung von Substraten nach Punkt 8 mit den Schritten
      • Bereitstellen des Substrates;
      • Bereitstellen einer Anordnung gemäß einem der Punkte 1 bis 7;
      • Anordnen des Substrates auf der Beschichtungsvorrichtung;
      • Auslösen der Bewegung des Kolbens, so dass die vom Kolben verdrängte Flüssigkeit den Verdrängungskörper proportional zur Menge des verdrängten Flüssigkeitsvolumens bewegt;
      • Einwirken des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium, wobei ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bis zu einem ersten Füllstand des Beschichtungsmediums bewirkt wird;
      • Feststellen des Erreichens des ersten Füllstands des Beschichtungsmediums;
      • Erneutes Auslösen oder fortgesetzte Bewegung des Kolbens, so dass die vom Kolben verdrängte Flüssigkeit den Verdrängungskörper proportional zur Menge des verdrängten Flüssigkeitsvolumens bewegt;
      • Einwirken des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium, wobei ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bis zu einem zweiten Füllstand des Beschichtungsmediums bewirkt wird, wodurch das Eindringen des Beschichtungsmediums in die Kanäle des Substrates bis zur gewünschten Füllhöhe bzw. beschichteten Länge der Kanäle proportional zum verdrängten Volumen des Beschichtungsmediums erfolgt;
      • Entfernen des Beschichtungsmediums aus den Kanälen des Substrates, wobei sich die Beschichtung in den Kanälen ausbildet.
    10. 10. Verfahren nach Punkt 9, wobei der zweite Füllstand des Beschichtungsmediums innerhalb des Substrates liegt.
    11. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Punkte 8 bis 10, wobei ein angefeuchtetes oder mit einer Säure, Lauge oder Salzlösung imprägniertes Substrat auf der Beschichtungsvorrichtung angeordnet wird.
    12. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Punkte 8 bis 11, wobei das Entfernen des Beschichtungsmediums durch Anlegen eines Unterdrucks an der unteren Stirnfläche des Substrats bewirkt wird.
    13. 13. Beschichtetes Substrat zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge, bei welchem die Kanäle innen mit mindestens einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, die beschichtete Länge der Kanäle kleiner ist als die axiale Länge L und bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates die beschichtete Länge der Kanäle nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise 3 mm, voneinander abweicht.
    14. 14. Beschichtetes Substrat nach Punkt 13 mit einer Porosität von 40% bis 75%,
    15. 15. Beschichtetes Substrat nach Punkt 13 oder 14 mit einer mittleren Porengröße von mehr als 7 µm.
    16. 16. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 13 bis 15 mit einer Wanddicke von 0,002 inch bis 0,1 inch.
    17. 17. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 13 bis 16 mit einer Zelldichte von 100 bis 400 Zellen pro inch2.
    18. 18. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 13 bis 17, wobei die Kanäle innen mit mindestens einer ersten katalytisch aktiven Beschichtung und einer zweiten katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, die mit der ersten katalytisch aktiven Beschichtung und der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung beschichteten Längen der Kanäle jeweils kleiner als die axiale Länge L des Substrates ist und bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates die mit der ersten katalytisch aktiven Beschichtung und der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung jeweils beschichteten Längen der Kanäle nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise 3 mm, voneinander abweichen, und wobei der Abstand zwischen beiden Beschichtungen bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates maximal 5 mm, vorteilhaft maximal 3 mm beträgt, insbesondere maximal 1 mm beträgt.
    19. 19. Beschichtetes Substrat nach Punkt 18, wobei die erste Beschichtung ein SCR-Katalysator und die zweite Beschichtung ein Oxidationskatalysator ist.
    20. 20. Beschichtetes Substrat nach Punkt 19, wobei der Oxidationskatalysator ein Edelmetall der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente wie Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium, Gold, Iridium oder deren Mischungen ist.
    21. 21. Beschichtetes Substrat nach Punkt 20, wobei der Oxidationskatalysator auf einem porösen festen Träger, vorteilhaft einem porösen anorganisches Oxid wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid, aufgebracht ist.
    22. 22. Beschichtetes Substrat nach Punkt 19, wobei der SCR-Katalysator ein Oxid ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid, Ceroxid, Zirkonoxid oder deren Mischungen enthält.
    23. 23. Beschichtetes Substrat nach Punkt 22, wobei der SCR-Katalysator Titandioxid als Matrix, bis zu 10 Gew.-% Vanadiumpentoxid und bis zu 20 Gew.-% Wolframtrioxid enthält.
    24. 24. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 19 bis 23, wobei die erste Beschichtung ein SCR-Katalysator enthaltend Vanadiumpentoxid und Aluminiumoxid ist und die zweite Beschichtung ein Oxidationskatalysator ist, der Platin, Gold, Palladium und Aluminiumoxid enthält.
    25. 25. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 19 bis 23, wobei die erste Beschichtung ein SCR-Katalysator enthaltend Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframtrioxid ist und die zweite Beschichtung ein Oxidationskatalysator ist, der Platin und Aluminiumoxid enthält.
    26. 26. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 19 bis 21, wobei die erste Beschichtung ein SCR-Katalysator enthaltend eine Zusammensetzung eines Zeolithen, insbesondere einen mit Eisen oder Kupfer ausgetauschten Zeolithen ist, und die zweite Beschichtung ein Oxidationskatalysator, der Platin und Aluminiumoxid enthält.
    27. 27. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 19 bis 21, wobei die erste Beschichtung ein SCR-Katalysator ist, der einen mit Eisen ausgetauschten Beta-Zeolithen mit einer Ammoniak-Speicherkapazität von mindestens 20 Milliliter Ammoniak pro Gramm Katalysatormaterial enthält, und die zweite Beschichtung ein Oxidationskatalysator ist, der Platin und Aluminiumoxid enthält.
    28. 28. Beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 19 bis 21, wobei die erste Beschichtung ein SCR-Katalysator enthaltend eine Zusammensetzung eines Zeolithen, insbesondere einen mit Eisen oder Kupfer ausgetauschten Zeolithen ist, und die zweite Beschichtung einen Oxidationskatalysator ist, der Palladium und/oder Rhodium, sowie Aluminiumoxid enthält.
    29. 29. Verwendung der Anordnung nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 7, des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12 zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge.
    30. 30. Verfahren zur Reinigung eines Abgasstromes enthaltend Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder Partikel, welches ein beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 13 bis 28 enthält.
    31. 31. Anordnung zur Reinigung eines Abgasstromes enthaltend Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder Partikel, welches ein beschichtetes Substrat nach einem der Punkte 13 bis 28 aufweist.
    Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Der Kolben (101, 201) wird vorteilhaft durch einen elektrischen Aktuator (100, 200) bewegt. Hierzu kann beispielsweise ein mit einem Zahnrad versehener Elektromotor verwendet werden, welcher einen mit einer Zahnstange versehenen Kolben bewegt.
  • Das Substrat (121, 221) ist im Allgemeinen ein Hohlsubstrat, welches aus Metallen oder Keramiken besteht und mindestens einen Innenkanal (110, 210, 310) aufweist, üblicherweise eine Vielzahl von Innenkanälen. Die Substrate sind im Allgemeinen im Wesentlichen zylindrische Tragkörper, welche je eine Zylinderachse, zwei Stirnflächen, eine Mantelfläche und eine axiale Länge L aufweist und von der ersten Stirnfläche zur zweiten Stirnfläche von einer Vielzahl von Kanälen durchzogen sind. Solche Tragkörper werden häufig auch als Wabenkörper bezeichnet. Insbesondere kann es sich bei den Substraten um Durchfluß-Wabenkörper handeln, welche eine hohe Zelldichte (Anzahl der Innenkanäle pro Querschnittsfläche) von etwa 10 cm-2 bis 250 cm-2 aufweisen können, aber auch Wandflußfilter können verwendet werden. Das Substrat kann beispielsweise aus Cordierit, Mullit, Aluminiumtitanat, Siliziumkarbid oder Metallen wie Stahl bzw. Edelstahl bestehen. Das Substrat ist vorteilhaft ein monolithischer, zylindrisch geformter Katalysatortragkörper und wird von einer Vielzahl von Strömungskanälen für die Abgase von Verbrennungskraftmaschinen durchzogen, die parallel zur Zylinderachse liegen. Solche monolithischen Katalysatortragkörper werden im großen Maßstab für die Herstellung von Autoabgaskatalysatoren verwendet. Die Querschnittsform der Katalysatortragkörper hängt von den Einbauerfordernissen am Kraftfahrzeug ab. Weit verbreitet sind Katalysatorkörper mit rundem Querschnitt, elliptischem oder dreieckförmigem Querschnitt. Die Strömungskanäle weisen meist einen quadratischen Querschnitt auf und sind in einem engen Raster über den gesamten Querschnitt der Katalysatorkörper angeordnet. Je nach Anwendungsfall variiert die Kanalbeziehungsweise Zelldichte der Strömungskanäle meist zwischen 10 und 250 cm-2. Für die Abgasreinigung von Personenkraftwagen werden heute noch oft Katalysatortragkörper mit Zelldichten von etwa 62 cm-2 eingesetzt. Das Substrat ist auf der Beschichtungsvorrichtung vorteilhaft flüssigkeitsdicht angeordnet, was durch mindestens eine Dichtung bewirkt werden kann. Die Dichtung kann hohl sein und beim Aufsetzen auf oder Einsetzen in die Beschichtungsvorrichtung mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt werden und dicht abschließen. Die Dichtigkeit der Verbindung kann durch einen Druck-oder Flußsensor kontrolliert werden.
  • Der Verdrängungskörper (111, 211) ist ein Hohlkörper, welcher sich durch entsprechende Druckeinwirkung ausdehnt und wieder zusammenzieht und aus einem beliebigen elastischen Material hergestellt sein kann wie Gummi, Kunststoff oder Metall, wobei das Material gegenüber der Flüssigkeit (103, 203) und dem flüssigen Medium (113, 213) inert sein muß.
  • Die Flüssigkeit muß keine besonderen Anforderungen erfüllen, sollte jedoch nicht korrosiv oder abrasiv wirken und ihre Eigenschaften unter den Einsatzbedingungen nicht verändern. Geeignet sind beispielsweise Hydrauliköl oder Wasser.
  • Das flüssige Beschichtungsmedium (113, 213) ist beispielsweise eine Suspension oder Dispersion zur Beschichtung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge ("Washcoat"), welche katalytisch aktive Komponenten oder deren Precursor sowie anorganische Oxide wie Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirconoxid oder deren Kombinationen enthält, wobei die Oxide mit z.B. Silizium oder Lanthan dotiert sein können. Als katalytisch aktive Komponenten können Oxide von Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel oder Seltenerdmetalle wie Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethioum, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium Ytterbium oder deren Kombinationen eingesetzt werden. Als katalytisch aktive Komponenten können außerdem Edelmetalle wie Platin, Palladium, Gold, Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium sowie deren Kombinationen eingesetzt werden. Diese Metalle können auch als Legierungen miteinander oder anderen Metallen oder als Oxide vorliegen. Im flüssigen Beschichtungsmedium können die Metalle auch als Precursor vorliegen, wie Nitrate, Sulfite oder Organyle der genannten Edelmetalle sowie deren Mischungen, insbesondere können Palladiumnitrat, Palladiumsulfit, Platinnitrat, Platinsulfit oder Pt(NH3)4(NO3)2 eingesetzt werden. Durch Kalzinierung bei etwa 400°C bis etwa 700°C kann dann die katalytisch aktive Komponente aus dem Precursor erhalten werden. Zur Beschichtung eines Substrates zur Herstellung von Autoabgaskatalysatoren kann zunächst mit einer Suspension oder Dispersion eines anorganischen Oxids beschichtet werden und in einem folgenden Beschichtungsschritt mit einer Suspension oder Dispersion, welche einen oder mehrere katalytisch aktive Komponenten enthält. Das flüssige Beschichtungsmedium kann jedoch auch beide dieser Komponenten enthalten. Das flüssige Beschichtungsmedium weist oft einen Feststoffgehalt zwischen 35 und 52 % sowie Viskositäten zwischen 15 und 300 cps auf.
  • Die Geometrie des Verdrängungskörpers (111, 211) kann an die Innenform des Behälters (112, 212) angepasst sein, was aber nicht unbedingt erforderlich ist. So kann einerseits ein Faltenbalg mit viereckiger oder kreisförmiger Grundfläche in einem Behälter mit entsprechender Innenform eingesetzt werden und damit gleichsam als hydraulisch expandierbarer Stempel auf das flüssige Beschichtungsmedium (113, 213) einwirken. Ebenso kann der Verdrängungskörper (111, 211) auch als sphärische Gummiblase ausgebildet sein, welche ohne besondere Anpassung an die Innengeometrie des Behälters auf das flüssige Beschichtungsmedium (113, 213) einwirkt. Der Verdrängungskörper (111, 211) kann den Behälter im Wesentlichen vollständig ausfüllen, dies muß jedoch nicht unbedingt der Fall sein, sofern der Verdrängungskörper (111, 211) ausreichend groß ist um die Beschichtungsvorrichtung (122, 222) und das zu beschichtende Volumen des Substrats (121, 221) mit flüssigem Beschichtungsmedium zu füllen. Der Behälter (112, 212) muß -abgesehen von den Öffnungen, mit welchen er mit dem Zylinder (102, 202) und der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) kommuniziert- gegenüber der Umgebung abgedichtet oder verschließbar sein. Vorteilhaft weist der Behälter (112, 212) allerdings Zuführungen für flüssiges Beschichtungsmedium (113) oder Flüssigkeit (203) auf und kann vorteilhaft zu Wartungs- und Reinigungszwecken geöffnet oder demontiert werden.
  • Dabei kann der Zylinder (102, 202) auf unterschiedliche Weise mit dem Behälter (112, 212) kommunizieren. Einerseits kann sich die Flüssigkeit im Inneren des Verdrängungskörpers (111) und das flüssige Beschichtungsmedium (113) außerhalb des Verdrängungskörpers (111) im Behälter (112) befinden, so dass die geschlossenen Außenseiten des Verdrängungskörpers (111) auf das flüssige Beschichtungsmedium (113) einwirken. Dabei wird im Behälter ein Druck erzeugt, durch den das flüssige Medium (113) durch eine Öffnung aus dem Behälter über eine Leitung (114) in die Beschichtungsvorrichtung (122) gefördert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann sich die Flüssigkeit (203) außerhalb des Verdrängungskörpers (211) im Behälter (212) und das flüssige Beschichtungsmedium (213) innerhalb des Verdrängungskörpers (211) befinden, so dass die geschlossenen Innenseiten des Verdrängungskörpers (211) auf das flüssige Beschichtungsmedium (213) einwirken und das flüssige Beschichtungsmedium (213) durch eine Öffnung aus dem Behälter (212) über eine Leitung (214) in die Beschichtungsvorrichtung (222) gefördert wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtungsvorrichtung (122, 222) mit Sensoren (123, 223) ausgestattet, welche auf den Füllstand des flüssige Beschichtungsmedium (113, 213) reagieren.
  • Geeignete Sensoren können ein Brechungsindexsensor sein, welcher auf die Änderung des Brechungsindex beim Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels reagiert, ein Leitfähigkeitssensor oder einfach eine Lichtschranke.
  • Diese Sensoren sind vorteilhaft mit einer Steuereinheit (115, 215) verbunden, welche die Bewegung des Kolbens (101, 201) kontrolliert und das von den Sensoren (123, 223) übermittelte Signal zur Kontrolle der Bewegung des Kolbens verarbeitet, so dass ein reproduzierbarer Füllstand (130, 230) des flüssigen Beschichtungsmediums (113, 213) in der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) unabhängig von der Menge des flüssigen Beschichtungsmediums (113, 213) sichergestellt werden kann. Werden mehrere Substrate (121, 221) hintereinander beschichtet, so verringert sich sukzessive mit jedem Beschichtungsvorgang die Menge des flüssigen Beschichtungsmediums (113, 213) in der Anordnung, so dass bei gleichen Verfahrensparametern der Flüssigkeitsstand in der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) sinkt. Durch den Einsatz der Sensoren (123, 223) kann dieser Effekt ausgeglichen und ein gleich bleibender Flüssigkeitsstand auch bei einem Nachfüllen von flüssigem Beschichtungsmedium sichergestellt werden. Durch Verwendung einer geeigneten Steuereinheit (125,225), welche das Signal der Sensoren verarbeitet und den Kolben (101, 201) bzw. den zur Betätigung des Kolbens eingesetzten vorzugsweise elektrischen Aktuator (100, 200) steuert, kann der festgelegte Füllstand (130, 230) des flüssigen Beschichtungsmediums (113, 213) in der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) automatisch eingestellt werden.
  • Die Anordnung gemäß der Erfindung kann außerdem einen Sensor zur Überwachung der Position des Verdrängungskörpers aufweisen. Hierzu kann beispielsweise eine Lichtschranke (124, 224), ein Ultraschallsensor oder ein mechanischer Sensor (z.B. Kipphebelschalter) verwendet werden der die Ausdehnung bzw. Position des Verdrängungskörpers überwacht. Falls der Verdrängungskörper eine Leckage aufweist kann dies hierdurch festgestellt werden, da der Verdrängungskörper in diesem Fall nicht mehr vollständig in seine Ausgangsstellung zurückkehrt oder sich vollständig ausdehnt. Ein derartiger Sensor zeigt dann ein solches Ereignis an.
  • Die Anordnung gemäß der Erfindung kann außerdem einen Sensor zur Überwachung des Flüssigkeitsspiegels (123, 232) des flüssigen Beschichtungsmediums innerhalb des Substrates (121, 221) aufweisen. Auf diese Weise kann die Zufuhr von flüssigem Beschichtungsmedium in das Substrat abgebrochen werden, wenn das Substrat bis zur gewünschten Substratlänge beschichtet wurde. Ein solcher Sensor ist jedoch nicht stets erforderlich, da es ja ein Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung ist, dass diese Überwachung nicht mehr durchgeführt werden muß, wenn das Innenvolumen des Substrates bekannt ist. Allerdings kann es vorteilhaft sein, wenn ein derartiger Sensor zur Kalibrierung der Anordnung vorhanden ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein beschichtetes Substrat zur Herstellung von Abgasfiltern bzw. Abgasreinigungskatalysatoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei welchem die Kanäle innen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, die beschichtete Länge der Kanäle kleiner ist als die axiale Länge L und bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates die beschichtete Länge der Kanäle nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise 3 mm, voneinander abweicht. Abgasfilter im Sinne der Erfindung können sowohl aus Durchflußwabenkörpern hergestellt sein, welche lediglich eine chemische, aber keine mechanische Reinigung der Abgase (wie z.B. Abtrennung von Ruß) bewirken, aber auch z.B. aus Wandflußfiltern, wobei die Abgase durch die porösen Wandungen der Strömungskanäle geleitet werden, wodurch neben der chemischen auch eine mechanische Reinigung der Abgase erfolgt.
  • Oft werden die Kanäle der Substrate nicht auf der ganzen axialen Länge L beschichtet, sondern wie oben beschrieben nur auf einem Teil ihrer Länge. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Länge, auf welcher die Kanäle innen beschichtet sind, bei möglichst allen Kanälen im Wesentlichen gleich ist. Nach dem Innenbeschichten der Kanäle der Substrate mit der Anordnung gemäß der Erfindung werden diese Substrate anschließend getrocknet und mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen.
  • Die fertigen, zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge geeigneten Substrate weisen eine besonders gleichmäßige Beschichtung auf welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die beschichteten Längen der unterschiedlichen Kanäle um nicht mehr als 5 mm, insbesondere 3 mm voneinander abweichen, was für mindestens 95% aller Kanäle eines Substrates zutrifft, vorteilhaft mindestens 99% aller Kanäle eines Substrates, insbesondere bei 100% aller Kanäle. Durch Defekte kann es vorkommen, dass bei einzelnen Kanälen eines Substrates die Strömungs- und Druckverhältnisse stark von den übrigen Kanälen abweichen, was dazu führt, dass das flüssige Beschichtungsmedium erheblich schwerer oder leichter eindringt und unter den Beschichtungsbedingungen entweder auf einer geringeren oder größeren Länge der einzelnen Kanäle beschichtet wird. In diesen Fällen kann die gewünschte gleichmäßige Beschichtungslänge nur bei einem Teil der Kanäle erreicht werden, jedoch im Allgemeinen bei mehr als 95% aller Kanäle.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten, welches mit der Anordnung durchgeführt wird.
  • Dieses Verfahren zur Beschichtung von Substraten weist die Schritte auf:
    • Bereitstellen des Substrates;
    • Bereitstellen einer Anordnung gemäß der Erfindung;
    • Anordnen des Substrates auf der Beschichtungsvorrichtung;
    • Auslösen der Bewegung des Kolbens, so dass die vom Kolben verdrängte Flüssigkeit den Verdrängungskörper proportional zur Menge des verdrängten Flüssigkeitsvolumens bewegt;
    • Einwirken des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium, wobei ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bewirkt wird;
    • Eindringen des Beschichtungsmediums in die Kanäle des Substrates bis zur gewünschten Füllhöhe bzw. beschichteten Länge der Kanäle proportional zum verdrängten Volumen des Beschichtungsmediums;
    • Entfernen des Beschichtungsmediums aus den Kanälen des Substrates, wobei sich die Beschichtung in den Kanälen ausbildet.
  • Das Entfernen des Beschichtungsmediums aus den Kanälen des Substrates wird durch Anlegen eines Druckgefälles bewirkt, wodurch überschüssige Beschichtungssuspension nach dem Unterbrechen der Zufuhr an Beschichtungsmedium zum Substrat entfernt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Entfernung durch Zurückziehen des Kolbens (101, 201) bewirkt werden, da hierdurch der Füllstand des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) und dem Substrat (121, 221) abgesenkt wird, wodurch das Druckgefälle erzeugt und das überschüssige Beschichtungsmedium aus den Kanälen des Substrates entfernt wird. Die Entfernung des Beschichtungsmediums kann aber auch nach den bekannten Methoden des Standes der Technik bewirkt werden, was im Folgenden beschrieben ist.
  • Beispielsweise kann hierzu an den unteren Stirnflächen ein Unterdruck angelegt werden, indem zum Beispiel ein Ventil zu einem evakuierten Unterdruckbehälter geöffnet wird. Gleichzeitig kann von den oberen Stirnflächen des Substrats Luft oder ein anderes, dem beschichteten Substrat und der Beschichtungssuspension gegenüber inertes Gas wie Stickstoff den oberen Stirnflächen drucklos zugeführt werden. Da der Druck im Unterdruckbehälter sinkt, verringert sich damit auch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Kanälen der Substrate. Ein solche Vorgehen ist beispielsweise in der EP-A1-941763 , Seite 4, Zeile 56 bis Seite 5, Zeile 36 beschrieben, worauf Bezug genommen wird.
  • Es kann jedoch auch umgekehrt verfahren und das Vakuum an den oberen Stirnflächen und die Gaszufuhr an den unteren Stirnflächen der Substrate angelegt werden. Ebenso kann diese Zufuhr auch ein- oder mehrfach gewechselt bzw. umgekehrt werden, was gemäß US-B-7094728 eine gleichmäßigere Beschichtung der Kanäle in den Substraten bewirkt.
  • Statt Anlegen eines Unterdrucks ("Aus- bzw. Freisaugen" der Substrate) kann auch ein Überdruck angelegt werden ("Ausblasen" der Substrate). Hierzu wird Luft oder ein anderes, den beschichteten Substraten und der Beschichtungssuspension gegenüber inertes Gas wie Stickstoff der oberen oder unteren Stirnfläche unter Druck zugeführt. Diejenigen Stirnflächen, welche den mit Gasdruck beaufschlagten Stirnflächen gegenüberliegen, müssen dabei einen ausreichenden Abfluß des Gases gewährleisten. Dazu kann ein Unterdruck (Vakuum) angelegt werden, was aber nicht unbedingt erforderlich ist. Es sollte jedoch von den gegenüberliegenden Seiten nicht ebenfalls ein Gas- oder Flüssigkeitsdruck angelegt sein, um eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu gewährleistet, die ausreicht, um überschüssige Beschichtungssuspension aus den Kanälen der Substrate zu entfernen. Ähnlich dem oben kurz skizzierten Verfahren gemäß US-B-7094728 kann auch in diesem Fall der Überdruck abwechselnd von den oberen und unteren Stirnflächen zugeführt werden.
  • Nach Entfernen der überschüssigen Beschichtungssuspension werden die Substrate gegebenenfalls getrocknet sowie einer Wärmebehandlung unterzogen (kalziniert).
  • Vor der Wärmebehandlung können die Substrate getrocknet werden. Diese Maßnahme ist optional, da das Substrat bei der folgenden Wärmebehandlung ohnehin getrocknet wird.
  • Hierzu können die Kanäle des Substrats nach der Entnahme aus der Beschichtungsvorrichtung beispielsweise von unten entgegen der Schwerkraft mit vorgewärmter Luft mit Temperaturen zwischen 20 und 150°C und Geschwindigkeiten von mehr als 4, bevorzugt 7 - 10 m/s, für die Dauer von 5 bis 20 s durchströmt wird. Durch diese Art der Vortrocknung vor der Wärmebehandlung (Kalzinieren) kann ein häufig bei sehr hohen Beladungen zu beobachtendes Zulaufen der Strömungskanäle bzw. eine Verengung der Kanäle am unteren Ende der Substrate vermieden werden. Diese zusätzliche Maßnahme ermöglicht es, das Substrat mit einer höheren Beschichtungsmenge als üblich zu beladen, ohne daß sich die Strömungskanäle während des Trocknungs- und Kalzinierungsvorgangs verschließen oder verengen. Die Konzentration der Beschichtungsdispersion auf dem Substrat kann also durch diese Maßnahme erhöht werden.
  • Die Wärmebehandlung wird im Allgemeinen bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 800°C, insbesondere bei etwa 200°C bis 700°C, vorteilhaft bei etwa 250°C bis etwa 600°C durchgeführt. Die Zeit der Wärmebehandlung liegt bei etwa 1 bis 5, vorteilhaft 2 bis 3 Stunden und einer Aufheizrate von etwa 10°C/min bis etwa 50°C/min, insbesondere etwa 20°C/min bis etwa 40°C/min, vorteilhaft etwa 35°C/min bis etwa 45°C/min, wobei sich die Aufheizraten auf die Temperatur des Ofens beziehen. Die Aufheizraten können bei batchweiser Wärmebehandlung durch eine entsprechende, gesteuerte Aufheizung des Ofens oder in einem kontinuierlichen Prozeß durch die Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit der Substrate durch einen Tunnelofen bewirkt werden, welcher mit einem festgelegten Temperaturprofil betrieben wird.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird das Substrat vor dem Anordnen auf der Beschichtungsvorrichtung angefeuchtet. Die Substrate weisen im trockenen Zustand ein erhebliches Saugvermögen für Flüssigkeiten auf. Insbesondere bei der Beschichtung von hochzelligen Substraten mit Zelldichten von 120 cm-2 und darüber kann dies schon während des Füllens zu einer Verfestigung des Beschichtungsmediums und einer Verstopfung der Strömungskanäle führen. Es ist daher vorteilhaft, die Substrate vor dem Beschichten anzufeuchten. Hierbei kann es sich auch um eine Vorimprägnierung mit Säuren, Basen oder Salzlösungen handeln. Die Vorimprägnierung erleichtert die Ausbildung der Beschichtung auf den Kanalwänden nach der Sol-Gel-Methode. Durch den Kontakt der Beschichtungsdispersion mit den vorimprägnierten Kanalwänden wird der pH-Wert der Dispersion verschoben. Hierdurch wird die Dispersion in ein Gel überführt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wirkt der Verdrängungskörper auf das Beschichtungsmedium derart ein, dass ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bewirkt wird, bis ein erster Füllstand des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung erreicht ist.Dieser erste Füllstand wird festgelegt, damit vor dem Beginn jedes Beschichtungsvorgangs eines Substrats stets der gleiche Flüssigkeitsstand in der Beschichtungsvorrichtung vorliegt, so dass auch bei sich verringernder Menge an flüssigem Beschichtungsmedium eine reproduzierbare beschichtete Länge der Kanäle erreicht werden kann. Das Erreichen des ersten Füllstandes kann durch ein von den Sensoren (123, 223) ausgelöstes Signal festgestellt werden.
  • Nach dem Erreichen des ersten Füllstandes des Beschichtungsmediums wird das zur Beschichtung des Substrates (d.H. das zur Beschichtung der Innenseiten der Kanäle des Substrates bis zur gewünschten beschichteten Länge der Kanäle) benötigte Volumen an Beschichtungsmedium in die Kanäle eingebracht. Hierzu wirkt der Verdrängungskörper auf das Beschichtungsmedium derart ein, dass ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bewirkt, also das Eindringen des Beschichtungsmediums in die Kanäle des Substrates bis zur gewünschten Füllhöhe bzw. beschichteten Länge der Kanäle proportional zum verdrängten Volumen, bis ein zweiter Füllstand des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung erreicht ist. Das Erreichen des zweiten Füllstandes kann durch einen Sensor festgestellt werden. Während der erste Füllstand des Beschichtungsmediums sich innerhalb der Beschichtungsvorrichtung (122, 222) befindet, liegt der zweite Füllstand des Beschichtungsmediums entweder im Inneren des Substrates (121, 221), oder aber zumindest auf gleicher Ebene, vorzugsweise jedoch oberhalb der oberen Stirnfläche des Substrates (121, 221). Wenn der zweite Füllstand im Inneren des Substrates liegt, so wird eine beschichtete Länge des Substrates erreicht, welche kleiner als dessen axiale Länge L ist. Liegt der zweite Füllstand des Beschichtungsmediums auf gleicher Ebene, vorzugsweise jedoch oberhalb der oberen Stirnfläche des Substrates (121,221), so wird die Innenseite der Kanäle des Substrates auf der gesamten axialen Länge L beschichtet.
  • Vorteilhaft wird die Kontrolle des zweiten Füllstandes durch einen Sensor jedoch nur zur Kalibrierung, also der Einstellung der Parameter zur Steuerung der Anordnung durchgeführt. Sind diese Parameter einmal bekannt, so können gleichartige Substrate mit den gleichen Parametern reproduzierbar beschichtet werden, ohne den zweiten Füllstand bei jedem Beschichtungsvorgang mit einem Sensor zu überwachen.
  • Anschließend erfolgt das Entfernen des (überschüssigen) Beschichtungsmediums aus den Kanälen des Substrates, wobei sich die Beschichtung in den Kanälen ausbildet. Die erhaltenen Substrate werden dann gegebenenfalls getrocknet und einer Wärmebehandlung unterzogen, wie oben beschrieben.
  • Die Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit den Schritten:
    • Bereitstellen des Substrates;
    • Bereitstellen einer Anordnung gemäß der Erfindung;
    • Anordnen des Substrates auf der Beschichtungsvorrichtung;
    • Auslösen der Bewegung des Kolbens, so dass die vom Kolben verdrängte Flüssigkeit den Verdrängungskörper proportional zur Menge des verdrängten Flüssigkeitsvolumens bewegt;
    • Einwirken des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium, wobei ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bis zu einem ersten Füllstand des Beschichtungsmediums bewirkt wird;
    • Feststellen des Erreichens des ersten Füllstands des Beschichtungsmediums;
    • Erneutes Auslösen oder fortgesetzte Bewegung des Kolbens, so dass die vom Kolben verdrängte Flüssigkeit den Verdrängungskörper proportional zur Menge des verdrängten Flüssigkeitsvolumens bewegt;
    • Einwirken des Verdrängungskörpers auf das Beschichtungsmedium, wobei ein der Bewegung des Verdrängungskörpers proportionales Volumen des Beschichtungsmediums verdrängt und ein entsprechender Anstieg des Füllstandes des Beschichtungsmediums in der Beschichtungsvorrichtung bis zu einem zweiten Füllstand des Beschichtungsmediums bewirkt wird, wodurch das Eindringen des Beschichtungsmediums in die Kanäle des Substrates bis zur gewünschten Füllhöhe bzw. beschichteten Länge der Kanäle proportional zum verdrängten Volumen des Beschichtungsmediums erfolgt;
    • Entfernen des Beschichtungsmediums aus den Kanälen des Substrates, wobei sich die Beschichtung in den Kanälen ausbildet.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt also reproduzierbare beschichtete Längen der Kanäle der Substrate mit geringer Abweichung der beschichteten Längen innerhalb der Substrate und stellt eine Anordnung zur Beschichtung bereit, welche auch bei stark abrasiv wirkenden Beschichtungsmedien einen geringen Verschleiß zeigt.
  • Die fertigen, zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge geeigneten Substrate (d.H. beschichteten und wärmebehandelten bzw. kalzinierten Susbtrate) weisen eine besonders gleichmäßige Beschichtung auf welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die beschichteten Längen der unterschiedlichen Kanäle zwischen den Kanälen um nicht mehr als 5 mm, insbesondere 3 mm voneinander abweichen, was für mindestens 95% aller Kanäle eines Substrates zutrifft, vorteilhaft mindestens 99% aller Kanäle eines Substrates, insbesondere bei 100% aller Kanäle. Durch Defekte kann es vorkommen, dass bei einzelnen Kanälen eines Substrates die Strömungs- und Druckverhältnisse stark von den übrigen Kanälen abweichen, was dazu führt, dass das flüssige Beschichtungsmedium erheblich schwerer oder leichter eindringt und unter den Beschichtungsbedingungen entweder auf einer geringeren oder größeren Länge der einzelnen Kanäle beschichtet wird. In diesen Fällen kann die gewünschte gleichmäßige Beschichtungslänge nur bei einem Teil der Kanäle erreicht werden, jedoch im Allgemeinen bei mehr als 95% aller Kanäle. Die beschichtete Länge der Kanäle ist hierbei kleiner als die axiale Länge L. Die einheitliche Beschichtungslänge besitzt den Vorteil, dass auf diese Weise zwei Beschichtungen von den einander gegenüberliegenden Stirnseiten des jeweiligen Substrates eingebracht werden können. Sind diese Beschichtungen unterschiedlich und müssen voneinander getrennt sein (z.B. weil die Beschichtungskomponenten miteinander auf unerwünschte Weise reagieren oder sich gegenseitig in ihrer Wirkung beeinträchtigen), so muß zwischen den beiden Beschichtungen ein Abstand eingehalten und zuverlässig sichergestellt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Beschichtungslänge möglichst genau und zuverlässig eingestellt werden kann, da so nur eine geringe Länge des Substrates für den Abstand zwischen den Beschichtungen aufgewendet werden muß, welcher unbeschichtet und somit funktionslos bleibt. Hierdurch kann eine verbesserte Abgasreinigung bewirkt oder die Beladung des Substrates mit Beschichtung reduziert werden.
  • Besonders vorteilhaft kann mit der Vorrichtung und dem Verfahren der Erfindung also ein beschichtetes Substrat zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge erhalten werden, bei welchem die Kanäle innen mit mindestens einer ersten katalytisch aktiven Beschichtung und einer zweiten katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, die mit der ersten katalytisch aktiven Beschichtung und der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung beschichteten Längen der Kanäle jeweils kleiner als die axiale Länge L des Substrates ist und bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates die mit der ersten katalytisch aktiven Beschichtung und der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung jeweils beschichteten Längen der Kanäle nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise 3 mm, voneinander abweichen, und wobei der Abstand zwischen beiden Beschichtungen bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates maximal 5 mm, vorteilhaft maximal 3 mm beträgt, insbesondere maximal 1 mm.
  • In Figuren 3A und 3B ist ein derartiges beschichtetes Substrat (300) dargestellt. Das Substrat weist zwei Stirnflächen (301), eine Mantelfläche (302) sowie eine Länge (L) auf und ist von einer Vielzahl von Kanälen (310) zwischen den Stirnflächen durchzogen. Dabei sind die Kanäle auf einer ersten Teillänge (303) mit einer ersten Beschichtung (330) versehen und auf einer weiteren Teillänge (305) mit einer zweiten Beschichtung (340), in Fig. 3A mit verdickten Linien dargestellt, welche zwei Zonen bilden, die jeweils mit einer ersten und einer zweiten Beschichtung versehen sind. Der zwischen beiden Zonen (303, 305) liegende Abstand (304) wird vorzugsweise minimiert, wozu eine möglichst einheitliche Bechichtungslänge in beiden Zonen (303, 305) erforderlich ist, um eine Überlappung zu vermeiden. Dieser beschichtungsfreie Abstand (304) beträgt gemäß dieser Erfindung maximal 5 mm, vorteilhaft maximal 3 mm, insbesondere maximal 1 mm. In dieser Figur 3A ist ein Substrat (300) mit kreisförmigen Stirnflächen dargestellt. Die Stirnflächen können natürlich auch rechteckig, quadratisch, oval, dreieckig, sechseckig, oder sonstige polygonale Formen aufweisen, was eine entsprechende unterschiedliche räumliche Form des Substrates bewirkt, wie z.B. prismen- oder quaderförmig.
  • Die Teillängen, die mit der ersten (330) und der zweiten (340) Beschichtung versehen sind, können gleich oder verschieden sein.
  • Die Art der ersten und der zweiten Beschichtung sind vorteilhaft unterschiedlich. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine der Beschichtungen ein Oxidationskatalysator oder ein SCR-Katalysator. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Beschichtung (330) ein SCR-Katalysator und die zweite Beschichtung (340) ein Oxidationskatalysator.
  • Der Oxidationskatalysator enthält vorteilhaft ein Edelmetall der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente wie Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium, Gold, Iridium oder deren Mischungen, vorteilhaft auf einem porösen festen Träger, meist ein poröses anorganisches Oxid wie Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid. Besonders vorteilhaft ist Platin auf einem porösen Aluminiumoxid als Träger. Diese Beschichtung auf dem beschichteten Substrat weist im Allgemeinen eine Menge von 0,1 bis 10 g/ft3 Platin auf.
  • In einer spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält der SCR-Katalysator ein Oxid ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid, Ceroxid, Zirkonoxid oder deren Mischungen.
  • In einer weiteren spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält der SCR-Katalysator Titandioxid als Matrix, bis zu 10 Gew.-% Vanadiumpentoxid und bis zu 20 Gew.-% Wolframtrioxid.
  • In einer weiteren spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält die erste Beschichtung einen SCR-Katalysator enthaltend Vanadiumpentoxid und Aluminiumoxid und die zweite Beschichtung enthält einen Oxidationskatalysator, der Platin, Gold, Palladium und Aluminiumoxid enthält. Die zweite Beschichtung weist in diesem Fall vorzugsweise eine Menge von 0,1 bis 10 g/ft3 an Platin, Gold oder deren Kombinationen auf
  • In einer weiteren spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält die erste Beschichtung einen SCR-Katalysator enthaltend Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframtrioxid und die zweite Beschichtung enthält einen Oxidationskatalysator, der Platin und Aluminiumoxid enthält. Die zweite Beschichtung weist in diesem Fall vorzugsweise eine Menge von 0,1 bis 10 g/ft3 an Platin auf.
  • In einer weiteren spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält die erste Beschichtung einen SCR-Katalysator enthaltend eine Zusammensetzung eines Zeolithen, insbesondere einen mit Eisen oder Kupfer ausgetauschten Zeolithen, und die zweite Beschichtung enthält einen Oxidationskatalysator, der Platin und Aluminiumoxid enthält. Die zweite Beschichtung weist in diesem Fall vorzugsweise eine Menge von 0,1 bis 10 g/ft3 an Platin auf.
  • In einer weiteren spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält die erste Beschichtung einen SCR-Katalysator enthaltend einen mit Eisen ausgetauschten Beta-Zeolithen mit einer Ammoniak-Speicherkapazität von mindestens 20 Milliliter Ammoniak pro Gramm Katalysatormaterial und die zweite Beschichtung enthält einen Oxidationskatalysator, der Platin und Aluminiumoxid enthält. Die zweite Beschichtung weist in diesem Fall vorzugsweise eine Menge von 0,1 bis 10 g/ft3 an Platin auf.
  • In einer weiteren spezifischen Ausgestaltung der Erfindung enthält die erste Beschichtung einen SCR-Katalysator enthaltend eine Zusammensetzung eines Zeolithen, insbesondere einen mit Eisen oder Kupfer ausgetauschten Zeolithen., und die zweite Beschichtung enthält einen Oxidationskatalysator, der Palladium und/oder Rhodium, sowie Aluminiumoxid enthält. Die zweite Beschichtung weist in diesem Fall vorzugsweise eine Menge von 0,1 bis 10 g/ft3 an Palladium, Rhodium oder deren Kombinationen auf.
  • Die beschichteten, zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge geeigneten Substrate weisen Porositäten von mehr als 40 % auf, im Allgemeinen von 40% bis 75%, insbesondere von 45% bis 60%. Die mittleren Porengrößen liegen bei mindesten 7 µm, beispielsweise bei 7 µm bis 34 µm, bevorzugt bei mehr als 10 µm, insbesondere bei 10 µm bis 20 µm oder bei 11 µm bis 19 µm. Insbesondere vorteilhaft sind fertige, zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge geeigneten Substrate zeigen mittlere Porengrößen von 11 bis 33 µm und Porositäten von 40 % bis 60 %.
  • Die Zelldichten der Substrate betragen meist bis zu 700 oder mehr pro inch2 (square inch), wobei deutlich niedrigere Zelldichten gebräuchlich sind, wie etwa 7 bis 600, insbesondere 100 bis 400 Zellen pro inch2 (400 Zellen pro inch2 entsprechen etwa 62 Zellen pro cm2), wobei die Formen der Zellen rechteckig, quadratisch, kreisförmig, oval, dreieckig, sechseckig, oder sonstige polygonale Formen aufweisen können. Die Zelldichte ist ein Maß für die Anzahl der Kanäle pro Flächeneinheit der Draufsicht, welche die Substrate parallel zur Längsachse durchziehen. Die Wanddicken, also die Dicke der Wände, welche die Kanäle voneinander trennen, liegen bei 0,002 und 0,1 inch (ca. 0,005 cm bis ca. 0,25 cm), vorzugsweise bei 0,002 bis 0,015 inch (ca. 0,005 cm bis 0,038 cm). Vorteilhafte Substrate liegen bei einer Wanddicke von etwa 0,01 inch bis 0,02 inch (etwa 0,0254 cm bis 0,058 cm), vorzugsweise mit einer Porosität von 40 % bis 60 % und einer mittleren Porengröße von 10 µm bis 20 µm.
    • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
  • Figur 1 zeigt eine Anordnung der Erfindung zur Beschichtung von Kanälen (110) in einem Substrat (121), welche einen, von einem Aktuator (100) betätigten, Kolben (101) in einem Zylinder (102) aufweist, der mit Flüssigkeit (103) gefüllt ist und durch eine Verbindung (104) von Zylinder (102) mit dem Verdrängungskörper (111) die Betätigung des Verdrängungskörpers (111) in dem Behälter (112) gestattet, welcher mit flüssigem Beschichtungsmedium (113) gefüllt ist und zwei Leitungsabschnitte (114, 116) mit einem dazwischen geschaltetem Mehrwegeventil (115) zwischen Behälter (112) und der Beschichtungsvorrichtung (122) aufweist, wobei die Beschichtungsvorrichtung (122) mit dem Substrat (121) und mit Sensoren (123) zur Ermittlung des ersten Füllstandes (130) versehen ist. Mit weiteren Sensoren (124) wird das Verdrängungsvolumen von Beschichtungsmedium (113) bzw. der Zustand des Verdrängungskörpers (111) im Behälter (112) kontrolliert.
  • Die von den Sensoren (123, 124) ermittelten Werte werden einer Steuereinheit (125) übermittelt, welche ihrerseits den Aktuator (100) und damit den Kolben (101) steuert.
  • Das Mehrwegeventil (115) schaltet zum Einen in Befüllungsflussrichtung (117) die Befüllung der Beschichtungsvorrichtung (122) bis zum ersten Füllstand (130) mit Beschichtungsmedium (113) und zum Anderen, nach Erreichen des zweiten Füllstandes (132) im Substrat (121), in Rückflussrichtung (118) die Verbindung zur Entleerungspumpe (119) und zur Verbindungsleitung (120) zu einem Vorratsbehälter für überschüssiges Beschichtungsmedium (113) und zur dessen Bereithaltung für die Weiterverwendung.
  • Alle erforderlichen Steuerbefehle hierzu werden vorzugsweise ebenfalls von der zentralen Steuereinheit (125) erteilt.
  • Figur 2 zeigt eine Anordnung der Erfindung zur Beschichtung von Kanälen (210) in einem Substrat (221), welche einen , von einem Aktuator (200) betätigten, Kolben (201) in einem Zylinder (202) aufweist, der mit Flüssigkeit (203) gefüllt ist, und durch eine Verbindung (204) von Zylinder (202) mit dem Behälter (212) kommuniziert, in welchem sich der Verdrängungskörper (211) befindet, der flüssiges Beschichtungsmedium (213) enthält und welcher über zwei Leitungsabschnitte (214,216) mit einem dazwischen geschalteten Mehrwegeventil (215) mit der Beschichtungsvorrichtung (222) verbunden ist, welche mit einem Substrat (221) und Sensoren (223) zur Ermittlung des ersten Füllstandes (230) des Beschichtungsmediums (213) versehen ist.
  • Mit den weiteren Sensoren (224) am Behälter (212) wird das Verdrängungsvolumen von Beschichtungsmedium bzw. der Zustand des Verdrängungskörpers (211) im Behälter (212) kontrolliert. Die von den Sensoren (223, 224) ermittelten Werte werden einer Steuereinheit (225) übermittelt, welche ihrerseits den Aktuator (200) und damit den Kolben (201) steuert.
  • Das Mehrwegeventil (215) schaltet zum Einen in Befüllungsflussrichtung (217) die Befüllung der Beschichtungsvorrichtung (222) bis zum ersten Füllstand (230) mit Beschichtungsmedium (213) und zum Anderen, nach Erreichen des zweiten Füllstandes (232) im Substrat (221), in Rückflussrichtung (218) die Verbindung zur Entleerungspumpe (219) und zur Verbindungsleitung (220) zu einem Vorratsbehälter für überschüssiges Beschichtungsmedium (213) und zur dessen Bereithaltung für die Weiterverwendung. Alle erforderlichen Steuerbefehle hierzu werden vorzugsweise ebenfalls von der zentralen Steuereinheit (225) erteilt.
  • Figuren 3A und 3B zeigen in Perspektive ein Substrat (300), welches in seinem mittleren Teil einen Schnittaufbruch in drei Ebenen aufweist, um den Einblick in die erfindungsgemäße Beschichtungsstruktur zu vermitteln.
  • Das in zwei Teillängen- Zonen (303,305) beschichtete Substrat (300), weist zwei Stirnflächen (301), eine Mantelfläche (302) sowie eine Länge (L) auf und ist von einer Vielzahl von Kanälen (310) zwischen den beiden Stirnflächen (301) durchzogen.
  • Auf einer ersten Teillängen- Zone (303) ist in den Kanälen (310) eine erste Beschichtung (330) aufgebracht, während eine weitere Teillängen- Zone (305) mit einer zweiten Beschichtung (340) versehen ist.
  • Zwischen den beiden Teillängen- Zonen (303) und (305) resp. zwischen den beiden Beschichtungen (330) und (340) befindet sich eine beschichtungsfreie Zone (304), wie das insbesondere dies Fig. 3B vergrössert zeigt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Fig.1 :
      • 100 Aktuator
      • 101 Kolben
      • 102 Zylinder
      • 103 Flüssigkeit
      • 104 Verbindung
      • 110 Kanäle - im Substrat 121
      • 111 Verdrängungskörper
      • 112 Behälter
      • 113 Beschichtungsmedium
      • 114 Leitungsabschnitt
      • 115 Mehrwegeventil
      • 116 Leitungsabschnitt
      • 117 Befüllungs-Flußrichtung
      • 118 Rück-Flussrichtung, zur Entfernung von Beschichtungsmedium 113
      • 119 Entleerungspumpe
      • 120 Verbindungsleitung zum Reservoir des Beschichtungsmediums
      • 121 Substrat
      • 122 Beschichtungsvorrichtung
      • 123 Sensor zur Erfassung des Füllstandes 130
      • 124 Sensor zur Überwachung der Position des Verdrängungskörpers 111
      • 125 Steuereinheit
      • 130 Erster Füllstand - von 113 in der Beschichtungsvorrichtung 122
      • 132 zweiter Füllstand - von 113 im Substrat 121
    • Fig. 2 :
      • 200 Aktuator
      • 201 Kolben
      • 202 Zylinder
      • 203 Flüssigkeit
      • 204 Verbindung
      • 210 Kanäle - im Substrat 221
      • 211 Verdrängungskörper
      • 212 Behälter
      • 213 Beschichtungsmedium
      • 214 Leitungsabschnitt
      • 215 Mehrwegeventil
      • 216 Leitungsabschnitt
      • 217 Befüllungs-Richtung
      • 218 Absaugflussrichtung von 213
      • 219 Entleerungs- und Absaugpumpe
      • 220 Verbindungsleitung zum Reservoir für überschüssiges Beschichtungsmedium 213
      • 221 Substrat
      • 222 Beschichtungsvorrichtung
      • 223 Sensor zur Erfassung des Füllstandes 230
      • 224 Sensor zur Überwachung der Position des Verdrängungskörpers
      • 225 Steuereinheit
      • 230 Erster Füllstand - in der Beschichtungsvorrichtung 222
      • 232 zweiter Füllstand - im Substrat 221
    • Fig. 3 :
      • 300 Substrat
      • 301 Stirnfläche
      • 302 Mantelfläche
      • 303 Erste Teillängen - Zone
      • 304 Abstand - zwischen den beiden Teillängen 303 und 305
      • 305 Zweite Teillängen - Zone
      • 310 Kanäle - im Substrat 300
      • 330 Erste Beschichtung - in den Kanälen 310
      • 340 Zweite Beschichtung - in den Kanälen 310
      • L Länge - gesamt- des Substrats 300
    • Fig. 4 : 401 bis 407 bezeichnen die sieben Verfahrensschritte gemäß Anspruch 5
    • Fig. 5 : 501 bis 509 bezeichnen die neun Verfahrensschritte gemäß Anspruch 6
    Beispiel 1
  • Durchflußwabenkörper mit einer Länge von 101,6 mm und ovalem Querschnitt mit einer Nebenachse von 86 mm und einer Hauptachse von 131 mm und einer Zelldichte von 62 cm-2 aus Cordierit werden mit einer Suspension von auf Aluminiumoxid geträgertem Platin (erhalten nach Beispiel 1 der EP 957064 ) in Wasser mit einem Feststoffgehalt von 35 Gew.-% als Beschichtungsmedium beschichtet. Es wird hierzu eine Anordnung nach Figur 2 verwendet. Die Beschichtungshöhe beträgt 45,8 mm. Die beschichteten Substrate werden nach dem Beschichten mit einem Luftstrom von 100°C getrocknet und bei 500°C calciniert. Bei jedem tausendsten beschichteten Tragkörper wird nach dem Beschichten mittels Röntgen die beschichtete Länge bestimmt und mit einer digitalen Bildauswertung die beschichteten Längen der Kanäle bestimmt und die Differenz der jeweiligen maximalen und minimalen Längen gebildet. Die Differenz ist stets kleiner als 3,0 mm. Es werden 200 beschichtete Tragkörper untersucht. Die Beschichtungsvorrichtung nach Figur 2 wird weiter betrieben. Zur Durchführung von 325.000 Beschichtungsvorgängen ist keine Unterbrechung zur Wartung oder Reparatur erforderlich.
    • Beispiel 2
  • Es wurde verfahren wie in Beispiel 1, jedoch wurde eine Anordnung nach Figur 1 verwendet. Die Differenzen der maximalen und minimalen Längen waren stets kleiner als 2 mm. Es werden 170 beschichtete Tragkörper untersucht. Zur Durchführung von 225.000 Beschichtungsvorgängen ist keine Unterbrechung zur Wartung oder Reparatur erforderlich.

Claims (1)

  1. Beschichtetes Substrat zur Herstellung von Abgasfiltern für Kraftfahrzeuge, bei welchem die Kanäle innen mit mindestens einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, die beschichtete Länge der Kanäle kleiner ist als die axiale Länge L und bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates die beschichtete Länge der Kanäle nicht mehr als 5 mm voneinander abweicht, wobei die Kanäle innen mit mindestens einer ersten katalytisch aktiven Beschichtung und einer zweiten katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, die mit der ersten katalytisch aktiven Beschichtung und der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung beschichteten Längen der Kanäle jeweils kleiner als die axiale Länge L des Substrates ist und bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates die mit der ersten katalytisch aktiven Beschichtung und der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung jeweils beschichteten Längen der Kanäle nicht mehr als 5 mm voneinander abweichen, und wobei der Abstand zwischen beiden Beschichtungen bei mindestens 95% der Kanäle eines Substrates maximal 5 mm beträgt.
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